JP6146043B2

JP6146043B2 - 測定装置及び測定方法

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Publication number: JP6146043B2
Application number: JP2013032478A
Authority: JP
Inventors: 俊樹岩井; 水谷　大輔; 大輔水谷; 秀明長岡
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: JP2014165211A

Description

本発明は、被測定用基板及び測定方法に関する。

ＬＳＩ等の電子機器が実装されたプリント基板において、例えば数十Ｇｂｐｓの高速伝送信号を伝送しようとすると、高周波に起因する抵抗増加による損失が問題となる。プリント基板における損失は、大きく分けて導体損失と誘電損失がある。この場合、導体損失は、被測定対象である信号ラインにおける損失であり、誘電損失は、プリント基板の絶縁（誘電体）層における損失である。

特開平１０−２１６７９５号公報

導体損失は、プリント基板の表面粗さの影響を受けて変わる値である。誘電損失は、プリント基板の絶縁（誘電体）材料が有機材料であることから製造されたプリント基板ごとに異なる値である。そのため、測定誤差が大きく、両損失を正確に切り分けて測定することができないという問題がある。

特許文献１には、高周波における抵抗の高精度な測定する方法として、いわゆる誘電体共振器法を用いた測定方法が開示されている。ところがこの測定方法では、共振ポイントのみの測定となるため、高速伝送の信号ラインで必要となる抵抗の周波数特性を測定することができない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、高速伝送の信号ラインにおける抵抗の周波数特性（所定範囲の周波数帯域における周波数依存性）を、簡素な構成で正確に測定することができる被測定用基板及び測定方法を提供することを目的とする。

測定装置の一態様は、表面上に、被測定対象である信号ラインと、第１の電極とが設けられたプリント基板と、第２の電極と、前記信号ライン及び前記第１の電極と前記第２の電極とが対向するように、前記信号ライン及び前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された誘電体層と、前記信号ラインに高周波信号を印加する入力部と、出力を前記プリント基板における前記信号ラインの導体損失として測定する測定部とを含み、前記第１の電極と前記第２の電極との間の容量と、前記信号ラインのインダクタンスとによるインピーダンスが前記導体損失に対して十分に小さく、前記信号ラインと前記第２の電極との間の容量によるインピーダンスが前記導体損失に対して十分に大きい。

測定方法の一態様は、表面上に、被測定対象である信号ラインと、第１の電極とが設けられたプリント基板と、第２の電極と、前記信号ライン及び前記第１の電極と前記第２の電極とが対向するように、前記信号ライン及び前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された誘電体層とを含み、前記第１の電極と前記第２の電極との間の容量と、前記信号ラインのインダクタンスとによるインピーダンスが、前記プリント基板における前記信号ラインの導体損失に対して十分に小さく、前記信号ラインと前記第２の電極との間の容量によるインピーダンスが前記導体損失に対して十分に大きい測定装置を用いて、前記信号ラインに高周波信号を印加し、出力を前記導体損失として測定する。

上記の諸態様によれば、高速伝送の信号ラインにおける抵抗の周波数特性（所定範囲の周波数帯域における周波数依存性）を、比較的簡素な構成で正確に測定することが可能となり、ひいては、高速伝送に対応した信頼性の高いプリント基板が実現する。

本実施形態による被測定用基板の概略構成を示す断面図である。図１の被測定用基板の等価回路図である。比較例による被測定用基板の概略構成を示す断面図である。図３の被測定用基板の等価回路図である。本実施形態及び比較例を適用した実際の電磁界解析による結果を示す特性図である。

以下、被測定用基板及び測定方法の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態による被測定用基板の概略構成を示す断面図である。図２は、図１の被測定用基板の等価回路図である。

本実施形態による被測定用基板は、プリント基板の配線方法の一種であるマイクロストリップライン構造の被測定用基板である。
この被測定用基板は、図１のように、プリント基板１と、誘電体層２と、グランドプレーン３とを備えて構成されている。

プリント基板１は、絶縁層１ａと、絶縁材料１ａの一主面である表面上に形成された信号ライン１ｂ及びグランドプレーン１ｃとを有して、プリント基板の配線方法の一種であるコプレーナ構造として構成される。
絶縁層１ａは、例えばエポキシ樹脂等の有機絶縁材料からなる基材である。信号ライン１ｂは、導体損失の被測定対象であって、所定長さの略直線状に形成されている。グランドプレーン１ｃは、第１の電極であって、信号ライン１ｂと同一表面上で当該信号ライン１ｂを挟むように形成された一対の電極である。グランドプレーン１ｃは、その面積（誘電体層２との接触面積）が信号ライン１ｂの面積（誘電体層２との接触面積）に比べて十分に大きく形成されている。これにより、誘電体層２の容量に起因する電気特性への影響を無視し得る程度に小さく抑えることができる。この場合、グランドプレーンを１ｐＦ以上の容量とすることが好ましい。

誘電体層２は、サファイア又はシリコン酸化膜等の低損失誘電材料からなる板状部材である。誘電体層２は、好ましくは、その誘電正接が絶縁層１ａの誘電正接よりも、少なくとも一桁小さいオーダーの値とされる。これにより、誘電体層２の絶縁層１ａに対する誘電率の影響を可及的に小さく抑えることができる。具体的には、絶縁層１ａの誘電正接が例えば０．０２程度であり、誘電体層２の誘電正接が例えば０．００２程度である。測定を行うにあたり、誘電体層２の誘電正接は既知とされている。

グランドプレーン３は、第２の電極である薄い銅板であって、誘電体層２の裏面の全面に形成されている。グランドプレーン３としては、銅板の代わりに、導電性に優れた金属、例えば金、銀等の金属板を用いても良い。

本実施形態による被測定用基板では、プリント基板１の信号ライン１ｂ及びグランドプレーン１ｃとグランドプレーン３との間に誘電体層２が配置される。プリント基板１の信号ライン１ｂ及びグランドプレーン１ｃとグランドプレーン３とは、誘電体層２を介して対向している。

図２に、図１の被測定用基板の等価回路図を示す。図２において、Ｒ₁は信号ライン１ｂの導体損失、Ｌは信号ライン１ｂのインダクタンスである。Ｃは信号ライン１ｂとグランドプレーン３との間の容量、Ｃ₁はグランドプレーン１ｃとグランドプレーン３との間の容量である。グランドプレーン１ｃの誘電体層２との接触面積は、信号ライン１ｂの誘電体層２との接触面積に比べて十分に大きいため、Ｃ₁はＣよりも十分に大きい。

図２の等価回路に高周波信号を入力すると、グランドプレーン１ｃとグランドプレーン３とが電磁結合し、グランドプレーン１ｃとグランドプレーン３と間はほぼ導通状態となる。そのため、高周波の電気特性において、Ｃ₁の影響を無視することができる。当該被測定用基板の構成では、グランドプレーン１ｃ側に誘電損失の低い材料を用いているため、誘電損失の影響を無視することができる。従って当該被測定用基板では、図２の出力により、誘電損失の影響を受けることなく、信号ライン１ｂの導体損失のみを定量的に正確に測定することができる。

以下、本実施形態による被測定用基板を用いた測定結果について、比較例の被測定用基板を用いた測定との比較に基づいて説明する。
図３は、比較例による被測定用基板の概略構成を示す断面図である。図４は、図３の被測定用基板の等価回路図である。

比較例による被測定用基板は、本実施形態と同様に、マイクロストリップライン構造の被測定用基板である。
この被測定用基板は、図３のように、プリント基板１０１を備えて構成されている。
プリント基板１０１は、絶縁層１０１ａと、絶縁材料１０１ａの一主面である表面上に形成された信号ライン１０１ｂと、絶縁材料１０１ａの他主面である裏面上に形成されたグランドプレーン１０１ｃとを有して構成される。

絶縁層１０１ａは、例えばエポキシ樹脂等の有機絶縁材料からなる基材である。信号ライン１０１ｂは、導体損失の被測定対象であって、所定長さ及び所定線幅に形成されている。グランドプレーン１０１ｃは、絶縁層１０１ａの裏面の全面に形成されている。被測定用基板では、信号ライン１０１ｂとグランドプレーン１０１ｃとが絶縁層１０１ａを介して対向配置されている。

図４に、図３の被測定用基板の等価回路図を示す。図４において、Ｒ₁は信号ライン１ｂの導体損失、Ｌは信号ライン１ｂのインダクタンスである。Ｒ₂はプリント基板１０１（絶縁層１０１ａ）の誘電損失、Ｃは信号ライン１０１ｂとグランドプレーン１０１ｃとの間の容量である。

図４の等価回路に高周波信号を入力すると、出力から測定される損失は、導体損失と誘電損失との合算値となる。この場合、両損失を正確に切り分けて測定することはできない。
これに対して本実施形態では、上述のように、誘電損失の影響を受けることなく、信号ライン１ｂの導体損失のみを直接的に測定することができる。

本実施形態及び比較例を適用した実際の電磁界解析による測定結果を図５に示す。図５では、解析用サンプルとして、本実施形態及び比較例の夫々について、信号ライン１ｂ，１０１ｂの長さを２ｃｍに設定し、絶縁層１ａ，１０１ａとして誘電率がほぼ同等の絶縁材料を用いた。

図５のように、比較例では、測定周波数帯域である２ＧＨｚ〜２２ＧＨｚに亘り、導体損失及び誘電損失を反映した減衰量を示した。これに対して本実施形態では、測定周波数帯域である２ＧＨｚ〜２２ＧＨｚに亘って比較例よりも低い減衰量を示した。これは、誘電損失の影響を受けることなく、導体損失のみに起因する減衰量であることが確認された。

以上説明したように、本実施形態によれば、高速伝送の信号ラインにおける抵抗の周波数特性（所定範囲の周波数帯域における周波数依存性）を、比較的簡素な構成で正確に測定することが可能となり、ひいては、高速伝送に対応した信頼性の高いプリント基板が実現する。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）表面上に、被測定対象である信号ラインと、第１の電極とが設けられたプリント基板と、
第２の電極と、
前記信号ライン及び前記第１の電極と前記第２の電極とが対向するように、前記信号ライン及び前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された誘電体層と
を含むことを特徴とする被測定用基板。

（付記２）前記第１の電極は、前記プリント基板の同一表面上で前記信号ラインを挟むように配置された一対のグランドプレーンであることを特徴とする付記１に記載の被測定用基板。

（付記３）前記誘電体層は、その誘電正接が前記プリント基板の絶縁材料の誘電正接よりも、少なくとも一桁小さいオーダーの値であることを特徴とする付記１又は２に記載の被測定用基板。

（付記４）前記第１の電極及び前記第２の電極による容量は、１ｐＦ以上であることを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の被測定用基板。

（付記５）表面上に、被測定対象である信号ラインと、第１の電極とが設けられたプリント基板と、
第２の電極と、
前記信号ライン及び前記第１の電極と前記第２の電極とが対向するように、前記信号ライン及び前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された誘電体層と
を含む被測定用基板を用いて、前記信号ラインの導体損失を測定することを特徴とする測定方法。

（付記６）前記第１の電極は、前記プリント基板の同一表面上で前記信号ラインを挟むように配置された一対のグランドプレーンであることを特徴とする付記５に記載の測定方法。

（付記７）前記誘電体層は、その誘電正接が前記プリント基板の絶縁材料の誘電正接よりも、少なくとも一桁小さいオーダーの値であることを特徴とする付記５又は６に記載の測定方法。

（付記８）前記第１の電極及び前記第２の電極による容量は、１ｐＦ以上であることを特徴とする付記５〜７のいずれか１項に記載の測定方法。

１，１０１プリント基板
１ａ，１０１ａ絶縁層
１ｂ，１０１ｂ信号ライン
１ｃ，１０１ｃグランドプレーン
２誘電体層
３グランドプレーン

Claims

表面上に、被測定対象である信号ラインと、第１の電極とが設けられたプリント基板と、
第２の電極と、
前記信号ライン及び前記第１の電極と前記第２の電極とが対向するように、前記信号ライン及び前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された誘電体層と、
前記信号ラインに高周波信号を印加する入力部と、
出力を前記プリント基板における前記信号ラインの導体損失として測定する測定部と
を含み、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の容量と、前記信号ラインのインダクタンスとによるインピーダンスが前記導体損失に対して十分に小さく、前記信号ラインと前記第２の電極との間の容量によるインピーダンスが前記導体損失に対して十分に大きいことを特徴とする測定装置。
前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記プリント基板の同一表面上で前記信号ラインを挟むように配置された一対のグランドプレーンであることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記誘電体層は、その誘電正接が前記プリント基板の絶縁材料の誘電正接よりも、少なくとも一桁小さいオーダーの値であることを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
前記第１の電極及び前記第２の電極による容量は、１ｐＦ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の測定装置。
表面上に、被測定対象である信号ラインと、第１の電極とが設けられたプリント基板と、
第２の電極と、
前記信号ライン及び前記第１の電極と前記第２の電極とが対向するように、前記信号ライン及び前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された誘電体層と
を含み、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の容量と、前記信号ラインのインダクタンスとによるインピーダンスが、前記プリント基板における前記信号ラインの導体損失に対して十分に小さく、前記信号ラインと前記第２の電極との間の容量によるインピーダンスが前記導体損失に対して十分に大きい測定装置を用いて、
前記信号ラインに高周波信号を印加し、
出力を前記導体損失として測定することを特徴とする測定方法。
前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記プリント基板の同一表面上で前記信号ラインを挟むように配置された一対のグランドプレーンであることを特徴とする請求項５に記載の測定方法。